EFFET DE LA SOUDURE SUR LA STRUCTURE DE L’ACIER

Thèse présentée en vue de l’obtention Du diplôme de

Doctorat en sciences

Spécialité : Génie Mécanique

EFFET DE LA SOUDURE SUR LA STRUCTURE DE L’ACIER

Présentée par :

M ^r : Chems-Eddine DERFOUF

Soutenue publiquement le 27 Septembre 2011

Devant le jury composé de :

A. CHALLA Professeur Président Univ. Biskra

Z. BOUMERZOUG Professeur Directeur de thèse Univ. Biskra

K. ZIDANI Professeur Examinateur Univ. Batna

A. BELGACEM BOUZIDA Professeur Examinateur Univ. Batna

D. BRADAI Professeur Examinateur USTHB. Alger

ةيبعشلا ةيطارقميدلا ةيرئازجلا ةيرىهمجلا

République Algérienne Démocratique et Populaire

ًٙهعنا ثحجنا ٔ ٙنبعنا ىٛهعزنا حساصٔ

Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique

Université Mohamed Khieder – Biskra Faculté des Sciences et de la technologie Département : Génie Mécanique Réf :

حشكسث شضٛخ ذًحي خعيبج ٔ وٕهعنا خٛهك خٛجٕنُٕكزنا

مسق : سدنهلا ة

ةيكيناكيملا . عجرملا : /

3122 .

A H’MAMA

Remerciements

Tout d’abord remercions Dieu tout puissant qui nous a guidés vers le droit chemin.

Mes remerciements vont avant tout à mon Directeur de Thèse, Monsieur Zakaria BOUMERZOUG, Professeur à l’Université de Biskra, pour m’avoir accordé son temps et toute sa compétence avec une grande générosité tout au long des quatre années nécessaires à l’aboutissement de ces travaux.

Je remercie également tous les responsables de l’entreprise SNS BAG Batna pour leurs accueils, aides, et efforts particulièrement Madame A. BOUMAARAF qui a effectuée la totalité des prélèvements des échantillons au cours de la production.

Je remercie Monsieur Abd El Wahed CHALLA, Professeur à l’Université de Biskra et Vis Recteur chargé de la formation supérieure, de la formation continue et des diplômes pour l’honneur qu’il m’a fait de bien vouloir accepter la présidence de ce jury.

Je remercie Monsieur Aissa BELGACEM BOUZIDA, Professeur à l’Université de Batna, Kamel ZIDANI, Professeur à l’Université de Batna et Monsieur Djamel BRADAI, Professeur à ENP (Alger) d’avoir accepté de participer à la commission d’examen de cette thèse.

Je tiens plus particulièrement à remercier Monsieur S. JAKANI, manager à ARCELOR METAL Belgique, Monsieur T. BAUDIN, directeur de recherche CNRS à Orsay, pour leurs patiences, contributions et aides dans lors des analyses expérimentales réalisées en France.

J’exprime ma gratitude à Monsieur Y. BOUABA (Chef de service des analyses physico- chimie) dans l’Entreprise des Réalisations Industrielles de Seriana (E.R.I.S) –Batna.

Finalement, je remercie infiniment mon humble et chère épouse, pour son aide précieuse

dans la mise en forme finale de la thèse et tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la

réalisation de ce travail.

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Sommaire :

INTRODUCTION :………

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

Chapitre I / Notions sur les phénomènes métallurgiques du soudage

I. Introduction : ……….………

I.1. Notions sur la métallurgie du soudage :……….….…

I.2 . Considérations générales : ……….…

I.2.a. Déformation d'origine thermique : ……….…….….

I.3. Caractéristiques de la soudure : ……….…..

I.3. a. Définition : ………..…

I.3. b. Morphologie de la zone de fusion : ……….…..

I.4. Aspects métallurgique du soudage : ……….……..

I.4.1. Structure globale de solidification : ……….

I.4.2. Sous structure de solidification : ……….……….

I.4.2.a. Mécanisme de formation : ………..

I.4.2.b. Effet de la vitesse de refroidissement : ………

I.4.2.c. La soudabilité : ………...

I.4.2.d. La soudabilité des aciers : ……….….

Référence :……….

1 4 4 4 5 5 5 5 7 8 8 9 9 11 13 13 15 Chapitre II / Procédés de soudage

II. Procédés de soudages :………..………..

II.1. Soudage automatique sous flux solide (arc submergé) :………….………..

II.1. a. Morphologie de la zone de fusion :………

II.2. Processus de solidification des soudures :………

II.3. Calcul de la vitesse de refroidissement en zone de fusion :……….

II.3.a. Modèle de ROSENTHAL : ………..

II.3.b. Effet des paramètres de soudage : ……….

Référence :………..…

16 16 17 19 20 23 23 24 25 Chapitre III / Soudage des aciers

III. Introduction :……….

III. A. Les Aciers au carbone :………

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III.A.1. Éléments α-gènes et γ-gènes : ………

III.A.2. Les aciers non alliés :………..………..

III.A.3. Constitution à l’état recuit :………..

III.A.4. Microstructures des aciers :………..

III.B.1. Évolution des aciers en fonction des exigences relatives à la soudabilité :…….

III.B.1.a. Evaluation de la qualité d’une soudure :………

III.B.1.b. Caractéristiques métallurgiques des soudures :………..….

III.B.2. Évolution de la composition chimique :………..

III.B.3. Traitements thermiques des soudures d'acier :………

III.B.3.1. Mise en œuvre des traitements thermiques et classification :………

III.B.3.2. Traitement comportant une austénisation (Recuit – Normalisation) :…….…

III.B.4. Transformations microstructurales des aciers faiblement allié à faible pourcentage en carbone au cours du soudage :… ………..

III.B.4.1. Classification des microstructures provenant de l’opération de

soudage des aciers faiblement allié et à faible pourcentage en carbone :……….

III.B.4.2. Grain de ferrite ou ferrite aliotriomorphique (FG) :………..

III.B.4.2.a. Cristallographie de FG :………..

III.B.4.2.b. Effet du taux de refroidissement sur les dimensions du grain de ferrite : ..

III.B.4.3. Ferrite de Widmenstätten (FW) :……….……….

III.B.4.4.a. Ferrite aciculaire (FA) :………

III.B.4.4.b. Cristallographie de la ferrite aciculaire :………

III.B.4.4.c. Germination et croissance de la ferrite aciculaire :………

III.B.4.5. Bainite supérieure :………..……..

III.B.4.5.b. Comportement des transformations dans la ZAT :………

III.B.4.6. Bainite inferieure :………...

III.B.4.7. Martensite (M):……….………

III.B.4.7.a. La latte martensitique :………

III.B.4.7.b. Plaques martensitiques :……….

III.B.4.8. Cinétique de formation de l'austénite :……….

III.B.5. Mécanisme structural de soudage des aciers :……….

III.B.5.a. Pour la Zone affectée thermiquement ZAT :………

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III.B.5.b. Pour la zone fondue ZF :……….

III. C. Etude numérique :………

III. C.1. Etude numérique du soudage :………

III. C.1.a. Présentation du problème :………

III. C.1.b. Prédiction des contraintes résiduelles de soudage :………..

III. C.1.c. Présentation du champ de température au cours du soudage :……….

III. C.1.d. Exemple de maillage pour modélisation numérique de pièces soudées :……….

Référence :………..

55 55 56 56 57 58 59 60 ETUDE EXPERIMENTALE

Chapitre IV/ Présentation de la bouteille à gaz B11/13 Kg et sa fabrication.

IV/ 1. Processus de fabrication de la bouteille à gaz type B11/13 Kg :………

IV/ 1.1. Notice technologique pour la fabrication de Bouteille à gaz type 11/13 Kg :…

IV/ 1.2. Constitution de la bouteille :………..…..

IV/ 1.3. Caractéristiques techniques des bouteilles :………

IV / 1.3.a. Marquage : ………

IV/ 1.3.b. Dimensions : ………

IV/ 1.4. Caractéristiques des matériaux utilisés : ………..

IV/ 1.4.a. Corps: ………

IV/ 1.4.b. Composition chimique: ……….

IV/ 1.4.c. Caractéristiques mécaniques : ………..

IV/ 1.4.d. Identification technique de la bouteille B11/13 : ………

IV/ 1.4.e. Étapes de fabrication de la bouteille à gaz B11/13 : ………

IV/ 1.4.f. Organigramme du processus de fabrication de la bouteille B11/13 :………..

IV/ 1.5. Préparation de la matière première : ………

IV/ 1.5.1 Emboutissage : ……….……

IV/ 1.5.1.a Embouti supérieur : ………

IV/ 1.5.1.b Embouti inférieur : ……….…..

IV/ 1.6. Soudage : ……….….

IV/ 1.6.a. Préparation des éléments : ……….…

IV/ 1.6.b. Soudage électrique sous flux : ………

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IV/ 1.6.c. Soudage électrique : ……….…..

IV/ 1.7. Traitement thermique : ………...

IV/ 1.8. Epreuve de pression : ……….…

IV/ 1.9. Contrôles et essais : ……….…..

IV/ 1.9.a. Contrôle de ressuyage étirage et traction : ……….

IV/ 1.9.b. Contrôle de l'élasticité : ………

IV/ 1.9.c. Essais d'étanchéité : ………

IV/ 1.9.d. Essais d'éclatement : ………

IV/ 1.10. Grenaillage : ………..

IV/ 1.11. Revêtement : ………

IV/ 1.11.a. Peinture antirouille ou métallisation : ………

IV/ 1.11.b. Peinture : ……….

IV/ 1.12. Montage robinet : ……….

Référence : ……….……..

Chapitre V/ Techniques expérimentales utilisées

Introduction :………

V.1. Présentation schématique de la bouteille à gaz et des zones de prélèvement des échantillons étudiées : ………..

V.2. Présentation des soudures étudiées : ……….

V.3.2. L’attaque chimique :……….

V.4. Moyens d’analyses : ……….

V.4.1. Spectrophotométrie par absorption atomique : ………

V.4.1.a. La lampe à cathode creuse : ………

V.4.1.b. Le nébuliseur : ………

V.4.2. Microscope optique : ………

V.4.3. Microscope optique à balayage MEB : ………..

V.4.4. Mesures de micro dureté : ……….

V.4.4.a. Principe de Mesure : ……….

V.4.4.b. Equipement utilisé pour l’essai de micro dureté : ………

V.4.5. La diffraction des rayons X : ………..

V.4.5.a: Principes généraux : ………..

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V.4.5.b: Equipement utilisé pour l’essai de diffraction aux rayons X : ………..

V.4.6.a. Définition de la fonction de distribution des orientations cristallines (FDOC) : V.4.7. Mesures des orientations locales dans le Microscope Electronique à Balayage par EBSD (diffraction des électrons rétrodiffusés) : ………..

V.4.7.a Préparation des échantillons de mesure : ………

V.5. Essai mécaniques (Traction et micro-dureté) : ………..

V.5. Préparation des éprouvettes pour les essais : ………

V.5.a. Essais de traction : ………

V.5.b. Equipement utilisé pour l’essai de traction : ………

Référence

Chapitre VI/ Résultats et Interprétations

Introduction : ………..

VI.A. Etude du joint soudé avant le traitement thermique : ………

VI.A.1. Etude macrographique : ……….…

VI.A.1.a Observation visuelle du joint soudée : ………..

VI.A.1.a Observation macrographique de l’échantillon prélevé : ……….

VI.A.2. Le métal de base : ………

VI.A.3. Etude du joint soudé : ………

VI.A.3.1. Estimation du taux de ferrite au niveau du cordon de soudure : ………

VI.A.4. Analyse par diffraction des rayons X : ………..

VI.A.5. Etude par la micro dureté : ………..

VI.A.6. Etude par la E B S D : ………

VI.A.6.1. Métal de base : ……….

VI.A.6.2. L’effet de soudage sur les grains : ……….

VI.A.7. Variation de la composition chimique : ………..

VI.A.8. Essai de traction sur une éprouvette non soudée et soudée: ………..

VI.B. Etude du joint soudé après le traitement thermique : ………

VI.B.1. Etude mécanique : ………

VI.B.1. Etude micrographique : ………..………

Référence : ……….………..…

Chapitre VII/ Etude numérique

VII.1. Etude numérique de la variation de température dans le soudage a l’arc

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électrique sous flux solide : ………..……

VII.1. 1. Données : ………..….

VII.1. 1. a. Type d’acier utilisé : ………..……

VII.1. 1. b. Type et caractéristiques technique du soudage : ………..….

VII.1. 1. c. Schéma du mode d’assemblage des deux embouts : ………

VII.1.1.d. Formulation numérique de l’étude thermique du soudage : ………

VII.1.1.e. Conditions aux limites : ………

VII.1. 1.f. Conclusion : ………

VII.2. Etude numérique du comportement de la température lors du recuit des pièces en acier à faible pourcentage en carbone assemblés par soudage : ……….

VII.2.1. Etude numérique du recuit de la bouteille à gaz :………..……

VII.2.1.a. Domaine de calcul : ………..

VII.2.1.b. Conditions aux limites : ……….

VII.2.1.c. Conditions initiales : ………

VII.2.1.d. Conclusion : ……….

Référence: ………

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Conclusion générale 136

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Introduction

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Introduction

Au début de notre thèse, l’idée de faire une investigation dans le domaine du soudage et de ces effets est survenue suite à une proposition par les membres responsables de l’Entreprise SNS BAG Batna qui est une entreprise de fabrication de réservoirs GPL pour les véhicules et des bouteilles à gaz ménagères. Dans cette entreprise et dans la chaîne de fabrication de bouteilles de gaz B 11/13 , deux défauts techniques ont surgis et qui sont :

 La rupture de la bouteille dans une région voisine du cordon liant les deux embouts sphériques composant le corps de la bouteille au cours de l’essai de pression pour des valeurs moindres que celles habituellement proposées par la normalisation de manière excessive qu’antérieurement prélevée.

 Les déchirures dans le métal après procédé d’emboutissage.

Dans le but de mettre en évidence l’aspect métallurgique du soudage, une étude de l’effet de soudage sur l’acier utilisé dans la fabrication de la bouteille à gaz à été proposée par Monsieur le Professeur Z. Boumerzoug, pour le quel une démarche à été proposée, tracée et suivie.

Une large bibliographie mise en quête dans ce domaine se voyait étalée à table, et après concertation et sélection trois chapitres bibliographiques ont vu le jour.

 Le premier chapitre concerne les phénomènes métallurgiques relatifs aux opérations de soudages ainsi que leurs effets conséquents, avec prise en compte des déformations d’origine thermiques que génèrent tous les procédés de soudage. La déduction des caractéristiques spécifiques aux niveaux des soudures telles que, les différentes zones crées et les mécanismes de déformations des structures et sous structures de solidification sont exposés de manière détaillée.

 Le second chapitre, englobe les différents procédés de soudage connus et

spécialement ceux largement utilisés dans le domaine de l’industrie, celui du soudage

automatique à l’arc électrique sous flux solide est le plus investi en raison de son utilisation dans

la fabrication de la bouteille à gaz B 11/13 . Celle-ci était déjà proposée comme exemple pratique de notre étude. Le processus de solidification des soudures avec prise en compte des différents paramètres de soudage représente l’essentiel de ce chapitre.

 Le troisième chapitre est consacré au soudage des aciers et spécifiquement au soudage des aciers faiblement alliés et à faible pourcentage en carbone qui est aussi le type d’acier utilisé dans la fabrication de la bouteille à gaz de notre thème. Les transformations microstructurales et la classification des microstructures provenant de l’opération de soudage de ces aciers sont entièrement explorées dans leurs différentes zones et régions et même une étude numérique de simulation dans ce domaine a été suggérée.

Juste après l’étude bibliographique, plusieurs expérimentations de différents ordres se voyaient être engagées dont une grande partie a aboutie, au cours de la quelle plusieurs techniques et équipements ont été utilisés, ce qui nous à donné l’occasion d’enrichir nos connaissances dans le domaine de l’expertise des matériaux que spécifie l’intérêt de cette thèse.

Parmi ces techniques nous citons :

 La microscopie optique

 La spectrophotométrie par émission

 L’analyse des images numérique des observations optique

 La diffraction des rayons X

 La diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD).

Cela n’exclu pas que des tests et essais d’ordre purement mécanique ont été réalisés pour la déduction des différents paramètres mécaniques nécessaires à exploiter tel que :

 L’essai de traction

 L’essai de micro dureté

La confrontation et la comparaison des différents résultats obtenues ont permis un éclaircissement des phénomènes métallurgiques subsistants dans le métal BS2, leurs valeurs aussi ont permis la validation avec celles trouvées et publiées dans ce domaine.

Dans la partie expérimentation de notre thèse, on retrouve trois chapitres importants.

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 Le quatrième chapitre qui concerne la description détaillée de la bouteille à gaz su citée et sa fabrication avec la prise de celle-ci comme élément pratique de nos expérimentations, à signaler que les différentes techniques industrielles qui interviennent dans la fabrication de cette bouteille à gaz sont exposées.

 Le cinquième chapitre est réservé à l’exposition des différentes techniques expérimentales utilisées au cours de notre travail.

 Le sixième chapitre est consacré à l’exposition des résultats obtenus au cours de notre cursus de travail ainsi que leurs interprétations.

 Un septième et dernier chapitre comprenant essentiellement une partie de

l’expérimentation qui nous à été de grande utilité dans le domaine de la validation numérique du

procédé de soudage à l’arc électrique sous flux solide avec prise en compte de toutes les

conditions aux limites qui cernent réellement notre cas d’étude, ainsi que du procédé de recuit de

normalisation que subit cette bouteille en fin de fabrication, à été aussi réalisée.

Etude Bibliographique

Chapitre I

Notions sur les phénomènes

métallurgiques du soudage

Chapitre I / Notions sur les phénomènes métallurgiques du soudage I. Introduction :

Le soudage peut être défini come étant un procédé d'assemblage [1], qui a pour but la création de la continuité physique entre deux éléments métalliques de telle sorte que l'assemblage réalisé satisfait en tout point aux exigences relatives à ses propriétés.

En soudage, on peut confronter deux situations :

 La première où les éléments à assembler ont la même composition chimique et le métal d'apport est tel que le cordon aura une composition très voisine de celle du métal de base, on dit alors que le soudage est «homogène», c'est le cas le plus fréquent.

 La deuxième où les éléments à assembler n'ont pas la même composition chimique ou, s'ils ont la même composition chimique, celle du métal d'apport est différente, on dit dans ce cas que le soudage est « hétérogène ».

Pour la continuité physique, celle-ci peut être obtenue avec ou sans la fusion des métaux à assembler. On distingue alors le soudage sans fusion (avec diffusion à l'état solide obtenue avec les procédés de soudage par explosion, par pression ou diffusion apparente obtenue avec le soudage par point, à la molette, par bossage, par induction, par friction, ou ultra-sonique) et le soudage avec fusion obtenu par tous les procédés de soudage aux gaz, à l'arc, par faisceau d'électron, par laser, qui sont ceux utilisés dans la très grande majorité des cas d'application industrielle.

I.1. Notions sur la métallurgie du soudage :

L'étude de la métallurgie nous fait savoir que les caractéristiques des aciers sont

fonction de leurs structures (nature, dimension, morphologie, et répartition des constituants) et

de leur composition chimique. La structure étant elle-même liée à la composition chimique et

aux traitements thermiques que subit l'acier [2].

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I.2. Considérations générales :

Le soudage par fusion et le coupage thermique nécessitent un chauffage localisé qui va engendrer des modifications structurales, des déformations et des contraintes qui se manifestent en cours d'opération ou parfois longtemps après.

I.2.a. Déformation d'origine thermique :

Une barre de métal homogène de longueur L, chauffée uniformément se dilate de ΔL proportionnellement à l'élévation de température. Le coefficient de proportionnalité à est appelé coefficient de dilatation linéaire.

L'homogénéité de la barre et le chauffage uniforme assurent la réversibilité de ces déformations, ce qui ne sera pas le cas en soudage où le chauffage est localisé.

D’après le tableau I.1, on constate que plus la température de fusion du métal est élevée plus, le coefficient de dilatation est faible. Ceci s'explique aisément en considérant les forces de liaison entre atomes, plus celle-ci sont élevées plus il faudra d'énergie pour détruire la liaison ou par agitation thermique accroître la distance entre atomes.

Tableau I.1 : Température de fusion de quelques éléments métalliques couramment présent dans les aciers.

I.3. Caractéristiques de la soudure : I.3.a. Définition :

Le soudage est le procédé qui permet de reconstituer la continuité métallique entre les surfaces des éléments à assembler. Pour activer les surfaces, la fusion est une méthode très efficace qui permet également le nettoyage des surfaces afin d’assurer l’installation de la

Métal Pb Zn Mg Al Au Cu Ni Fe Ti Mo W

θ de

fusion °C 327 419 650 658 1063 1083 1455 1530 1670 2570 3390 α à 20° C

mm/m °C 27 29 25,4 23,2 16,2 16,5 12,5 1l,8 8,5 4,9 3,2

liaison métallique. On obtient ainsi, après solidification, un joint homogène de même composition que le métal de base, ou un joint hétérogène dans le cas de métaux différents.

Quel que soit le procédé de soudage par fusion, la structure d’une soudure typique d’un alliage est composée de 6 zones principales [3-1][4-9] (Fig.1)

Figure 1 : Variété de microstructures dans un cordon de soudure par fusion [3], [4] et [5].

La zone de fusion (ZF) est la région chauffée au-dessus de la température du liquidus.

La structure du métal de base initiale est changée par les processus de fusion et solidification, et la composition peut également varier par évaporation de certains éléments de l’alliage.

Un mélange complet des éléments est obtenu par les mouvements de convection forcés.

La zone étroite à l’extrémité du bain de fusion est la zone « non mélangée » : dans cette zone les forces de convection étant inférieures aux forces de friction des fluides, la composition chimique est identique à celle du métal de base.

Même si cette zone est présente dans toutes les soudures, elle n’est facilement visible que dans les soudures utilisant un métal d’apport de composition chimique différente du métal de base.

Le bain de fusion est délimité par l’interface de soudure qui est la surface formant clairement la frontière entre le métal de base non fusionné et le métal de la soudure solidifiée.

Directement adjacente à l’interface de soudure se trouve une zone de fusion partielle (ZFP), le cycle thermique de soudage s’opère dans cette zone à des températures comprises entre le liquidus et le solidus de l’alliage.

Dans certains alliages contenant des inclusions et des impuretés à bas points de fusion,

ou des ségrégations d’éléments d’alliages aux joints de grain, la liquation de ces régions

microscopiques peut se produire et s’étendre de l’interface de soudure à l’intérieure de la zone

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de fusion partielle. La vraie zone affectée thermiquement (ZAT) est la zone où la température est comprise entre le solidus et une température plus basse mais suffisamment élevée pour permettre des réactions ou des transformations à l’état solide et pour modifier la structure du métal de base.

Finalement la seule partie de la pièce qui ne subit pas de modifications microstructurales est le métal de base non affecté. Bien que métallurgiquement inchangé, le métal de base, tout comme le joint de soudure global, est un lieu de concentration des contraintes résiduelles transversales et longitudinales dépendant du degré de rétreint imposé à la soudure.

I.3.b. Morphologie de la zone de fusion :

La forme et la constitution du bain de fusion dépendent de multiples facteurs tels que la nature du matériau à souder, les caractéristiques de l’arc ou du plasma permettant la fusion du métal qui sont liées aux paramètres technologiques du procédé, et les mouvements du bain de fusion.

Les bains de fusion créés lors des opérations de soudage sont le siège de processus thermo physiques très complexes mettant en jeux des phénomènes thermiques, convectifs, chimiques et électromagnétiques interdépendants selon la nature du procédé utilisé [6].

Aux abords immédiats de la zone fondue, le métal de base subit les effets du cycle thermique de soudage qui provoque des transformations liées à la température maximale atteinte et aux conditions de refroidissement du joint soudé. La Figure 2 synthétise ces transformations:

Figure 2. Cycle thermique en soudage et transformations structurales [7].

1. Dilatation, plastification, Ac ₁ : cessation des états hors équilibre.

2. Dilatation,' plastification, Ac ₃ : austénitisation (maille γ).

3. Dans la zone fondue: fusion, dilution du métal d'apport et du métal de base, dissolution de l'hydrogène (maille δ).

4. Solidification, formation des dendrites (maille γ), retrait, contraintes, Ar 3

5. Transformations allotropiques (M ou, M + F + C ou, F + C) diffusion de l'hydrogène, contraintes locales, Ar ₁ , avec (M : Martensite, F : Ferrite et C : Cémentite).

6. Fin de transformation, contraction, contraintes résiduelles, dans certains cas, la fissuration à froid et la diffusion de l'hydrogène jusqu'à la température ambiante.

I.4. Aspects métallurgiques du soudage : I.4.1. Structure globale de solidification :

Au cours du soudage par fusion la structure de solidification en zone de fusion se réalise à partir de la structure du métal solide des zones environnantes. La solidification s’établit à l’interface solide-liquide à partir des grains existant à cette interface, ces grains servent de substrats à partir desquels la croissance débute et se développe selon la direction du gradient maximum de température. Cette direction de croissance est celle de l’avancée du front de solidification afin de dissiper la chaleur latente de solidification vers le métal solide avoisinant.

La structure d’une soudure est fortement influencée par les cycles thermiques du soudage. La taille et la forme d’ancien grain bêta ainsi que les transformations de phase qui se produisent lors du refroidissement sont des caractéristiques essentielles qui définissent les propriétés mécaniques des assemblages.

Selon la nature des métaux de base à assembler et les cycles thermiques appliqués, les

microstructures des cordons de soudure, des zones de fusion et des zones affectées

thermiquement, vont présenter des différences de morphologie et des caractéristiques

mécaniques.

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I.4.2. Sous structure de solidification : I.4.2.a. Mécanisme de formation :

Les conditions de solidification hors équilibre pendant le soudage par fusion impliquent la déstabilisation du front plan solide-liquide avec la formation d’une sous structure de solidification [8].

Chaque grain colonnaire de la structure d’une soudure d’un alliage contient une sous structure de solidification sous forme cellulaire ou dendritique. Même si la composition globale de la soudure est homogène, les sous structures cellulaires ou dendritiques représentent des formes de micro-ségrégations.

La micro ségrégation est caractérisée par une différence de composition entre le cœur et la périphérie des cellules individuelles ou des dendrites cellulaires.

Les cellules sont des protubérances de métal solide microscopiques en forme de crayon qui refroidissent en avant de l’interface solide-liquide. Les dendrites sont plus développées que les cellules et ont une forme d’arbre avec un bras de dendrite primaire et des branches orthogonales appelées bras de dendrite secondaires. Généralement, les paramètres importants contrôlant les sous structures cellulaires ou dendritiques dans les soudures sont :

 Le coefficient de partage à l’équilibre K qui indique le potentiel de ségrégation d’un alliage est : K = C*s / C* L

C*s : concentration du soluté à l’interface solide-liquide.

C*L : concentration du liquide à l’interface solide-liquide.

 La composition de l’alliage elle-même (Co).

 Le gradient de température (G) dans le liquide à l’interface (en °C / mm).

 La vitesse de croissance ou vitesse d’avance du front de solidification à l’interface (R) (en mm / s).

Qu’elle soit planaire, cellulaire ou dendritique, la sous structure qui se produit au

refroidissement est déterminée par G et R qui contrôlent la quantité de surfusion

constitutionnelle. La zone de surfusion constitutionnelle est la région du liquide où la

température réelle est inférieure à la température d’équilibre à cause des variations de compositions et des gradients thermiques.

Si une soudure est réalisée à vitesse constante, la vitesse d’avance du front de solidification R est fixe (Fig.3).

Figure 3 : Effet du gradient de température sur le mode de solidification des soudures pour une vitesse constante [8].

En induisant un gradient de température extrêmement élevé (pente importante) il n’y a pas de surfusion constitutionnelle et la structure de solidification est plane. Quand le gradient décroît légèrement, les protubérances de métal solide à l’interface croissent plus vite que l’interface plate restante car le solide croît dans une zone de liquide en surfusion.

De ce fait les protubérances solides sont présentes à une température en dessous du liquidus de l’alliage. Il en résulte une sous structure cellulaire dans chaque grain à croissance épitaxique.

Si la valeur du gradient de température décroît encore, la zone de surfusion est si

importante que des bras secondaires se forment et une croissance dendritique cellulaire ou

dendritique colonnaire est observée.

11

Dans une sous structure dendritique cellulaire chaque grain contient plusieurs dendrites cellulaires alors que dans une structure dendritique colonnaire, un grain est occupé par une seule dendrite.

Le plus haut degré de ségrégation se produit lors d’une solidification dendritique alors qu’aucune ségrégation mesurable ne se produit lors d’une croissance plane. Un haut pourcentage d’éléments d’alliages associé à des coefficients de partage à l’équilibre différents de l’unité favorisera donc une sous structure dendritique

I.4.2.b. Effet de la vitesse de refroidissement :

L’effet cumulé de G et de R gouverne le mode de croissance et donc la forme de la sous structure de solidification. Le produit G x R est équivalent à une vitesse de refroidissement exprimé en °C/s et par conséquent plus G x R sera important et plus les structures cellulaires, dendritiques colonnaires ou même dendritiques équiaxes seront fines, l’espacement entre les bras des dendrites est aussi influencé par la vitesse de refroidissement, une faible vitesse favorisant un espacement plus grand et donc un effet de grossissement de la sous structure.

L’effet du gradient de température G et de la vitesse de solidification R sur la morphologie de la sous structure sont résumés dans le schéma suivant (Fig.4).

Figure 4 : Schéma du gradient de température en fonction de la vitesse de croissance

montrant les modes de solidification possibles [9].

En pratique les sous structures cellulaires et dendritiques cellulaires sont les plus observées fréquemment dans les structures de soudage. De plus il est très difficile de contrôler G et R indépendamment lors du processus de soudage car en règle générale une vitesse de soudage importante, et donc une vitesse d’avance de l’interface R grande, produira un gradient thermique élevé. De ce fait la sous- structure de solidification d’un alliage donné dépendra des concentrations en soluté, du degré de partage à l’équilibre des éléments d’alliage et des paramètres de soudage.

Les diagrammes de transformation au refroidissement continu après soudage (diagrammes TRCS) indiquent le type de structure trouvé dans la zone affectée thermiquement, la dureté moyenne sous cordon et la durée de refroidissement (Fig.5)

Une zone non affectée thermiquement, le métal de base est resté, bien que sa température se soit élevée, en dessous du point de transformation Ac ₁ et il y a peu ou pas de modifications des caractéristiques du métal de base.

Figure 5 : Différentes zones d'une soudure et diagramme TRCS (Δt 500-800° C) d'un acier

XC48 [14].

13

I.4.2.c. La soudabilité :

En dehors de contraintes relatives au mode opératoire (capacité à assurer la continuité physique du joint) ou à la conception de l'ensemble soudé (répartition des masses, déformations), on appelle soudabilité l'aptitude d'un métal ou d'un alliage à être assemblé par un procédé de soudage qui assure la continuité métallique du matériau.

Comme évoqué précédemment, d'une part sur le plan métallurgique il y a dilution du métal d'apport dans le métal de base mais aussi des effets de l'enrobage des électrodes ou du flux de protection, d'autre part sur le plan thermique l'énergie spécifique de la source et les propriétés thermiques du métal de base définissent l'importance des zones affectées thermiquement, en conséquence la soudabilité dépendra des choix effectués.

I.4.2.d. La soudabilité des aciers :

Elle est étroitement dépendante de la composition chimique de l'acier de base et de la façon dont les éléments présents interviennent (modification des domaines α et γ, formation de précipités...) :

 des éléments favorisent la présence de la ferrite: chrome, silicium, aluminium, vanadium, molybdène, titane, tantale, niobium, bore. Un acier à faible teneur en carbone sera ferritique à toute température dès que la teneur de chrome atteint 13 %.

 des éléments gammagènes c'est-à-dire augmentant le domaine γ : le plus important est le nickel et une concentration de 25 % peut abaisser la courbe de transformation γ => α en dessous de l'ambiante. D'autres éléments tels que le manganèse, le cuivre, le cobalt sont gammagènes.

 des éléments sont graphitisants, c'est-à-dire qu'ils favorisent l'apparition de carbone à l'état pur (c'est le cas du silicium, du tungstène).

 des éléments carburigènes qui forment avec le carbone des carbures et influeront sur la trempabilité comme le tungstène, le vanadium, le molybdène, le titane, le niobium, le tantale.

La présence de ces éléments va donc modifier le comportement et les caractéristiques,

par exemple le nickel réduit le coefficient de dilatation et affine le grain de l'acier, le chrome

diminue la conductibilité thermique et améliore la résistance à la corrosion, le manganèse fixe

le soufre dans un sulfure de manganèse à haut point de fusion ce qui évite une fragilité des joints de grain, le tungstène et le vanadium améliorent la tenue au revenu...

Plusieurs formules empiriques ont été proposées pour définir la soudabilité des aciers et apprécier l'effet sur la trempabilité, elles permettent de calculer le carbone équivalent par l’équation :

10

%V 40

%Cu 5

%Mo 10

%Cr 20

%Ni 4

%C %Mn

C _eq        ………. (1.1)

Comme exemple, un acier ayant un taux de carbone équivalent inférieur à 0,5 est généralement considéré comme soudable, pour un taux inférieur à 0,4 la sensibilité aux fissures est faible.

Les aciers faiblement alliés sont aisément soudables, pour les aciers fortement alliés dans la zone de dilution, qui présente une composition différente de celles .du métal de base ou du métal d'apport, il peut se produire des trempes excessives, une fragilisation ou des fissures.

Le choix du métal d'apport est primordial et dans certains cas il conviendra d'effectuer un préchauffage et (ou) un traitement thermique de revenu.

La fonte blanche, difficilement usinable, est pratiquement non soudable du fait de la

grande quantité de cémentite. Les fontes grises n'offrent pas une bonne soudabilité du fait des

lamelles de graphite qui constituent des amorces de rupture. Il faudra préchauffer les pièces à

600°C à cause de leur faible ductilité et refroidir lentement pour éviter les contraintes.

15

Référence :

[1] : J. G.HICKS « Conception des assemblages soudées » édition Eyrolles année 1981 [2] : R.VARISELLAZ livre « SOUDAGE éléments de conception et de réalisation. » Edition Dunod, Année 1987.

[3]: W. F. SAVAGE, E. F. NIPPES, «A Study of Weld Interface Phenomena in a Low Alloy Steel» Welding Journal Research Supplement (1976), p. 260s-268s.

[4]: W. F. SAVAGE, C. D LUNDIN, A. HARONSON, «Weld Metal solidification mechanics» Welding Journal Research Supplement 44 (1965), p.175s-181s.

[5] : C. FERDINAND « Mise en œuvre et caractérisation d’assemblages soudes par procèdes TIG et laser de tôles d’alliages de titane réfractaires » thèse doctorale de l’institut national polytechnique de Toulouse, novembre 2005.

[6] : R. BLONDEAU, «Métallurgie et mécanique du soudage, » Hermès Science publication, Paris (2001), p.50-67.

[7] : J.BARRALIS et G.MAEDER «Précis de Métallurgie (élaboration- structures-propriétés et normalisation» 5 ^ème Edition Nathan (1990).

[8]: J. H. DEVLATION, W. E. WOOD, «Principles of joining Metallurgy» Metals Handbook Ninth Edition, vol. 6 (1983), p. 21-49.

[9]: A. F. GIAMEI, E. H. KRAFT, F. D. LEMKEY, «New trends in Materials Processing,

American Society for Metals», Metals Park, OH (1976), p 48.

Chapitre II

Procédés de soudage

16

Chapitre II / Procédés de soudage II. Procédés de soudages :

La grande variété des procédés de soudage existants peut être classée en fonction de la nature des énergies mise en œuvre (Fig.6) [10].

Figure 6 : Procédé de soudage selon les différentes sources d’énergie [5].

Les procédés de soudage par fusion peuvent aussi être classés suivant l’intensité de la source d’énergie qui induit des différences de caractéristiques importantes sur les cordons de soudure (Fig.7). L’énergie spécifique de chaque procédé agit sur la pénétration, qui est le rapport de la profondeur de la soudure sur la largeur, et sur les caractéristiques mécaniques des cordons de soudure.

Energie Thermochimique

Energie Electrique

Energie Radiante

Energie Mécanique

Soudage oxyacéthylénique Soudage aluminothermique

Faisceau Laser Faisceau d’électron

Soudage par Friction Soudage par explosion Soudage par ultrason Soudage par diffusion

Arc Electrique

Résistance Electrique

Electrode réfractaire TIG Electrode fusible MIG/MAG

Electrode enrobée Soudage sous flux

Plasma

Soudage par résistance par points Soudage par résistance à la molette

Soudage par induction Soudage par étincelage

Soudage par bossage

Figure 7 : Energie spécifique des différents procédés de soudage [5].

L’étude faite par Cyrille Ferdinand [5], pour effectuer les soudures bout à bout réalisées en une passe par le procédé de soudage à l’arc électrique sous flux solide avec un métal d’apport de même famille que celui du métal de base sera présenté brièvement.

II.1. Soudage automatique sous flux solide (arc submergé) :

Il s’agit d’un procédé entièrement automatisé dans lequel la tête de soudage se déplace de façon automatique le long du joint (Fig.8) et (Fig.9). L’électrode est constituée d’un fil nu dont l’avancement est commandé par un moteur asservi. Le flux, sous forme de particules, est déposé à la surface du joint.

L’arc électrique est immergé sous la surface du flux dont il fond une partie pour former un laitier qui se solidifie immédiatement après en assurant la protection de la soudure. Le flux non fondu est récupéré et peut être réutilisé pour la soudure suivante. Le soudage à l’arc sous flux en poudre nécessite généralement des intensités comprises entre 400 A et 1 000 A. [10]

La machine de soudage (ou les pièces à souder) se déplace, assurant la vitesse de

soudage. L’amenée du fil-électrode se fait automatiquement.

18

Dans certain cas on utilise deux fils-électrode alimentés soit par le même générateur (arcs jumelés), soit par des générateurs différents. Il s’en suit, pour une même énergie de soudage, un dépôt de métal plus important et une vitesse de soudage plus grande.

Les principaux avantages de ce procédé c’est une énergie très élevée de soudage qui permet une pénétration importante, une vitesse d’exécution supérieure à 2 m / min, qualité du cordon déposé qui est de grande qualité et qui ne nécessite pas d’usinage, très bonne caractéristiques (chimique et mécanique) du joint de soudé, le confort d’utilisation pour l’opérateur et l’entourage du fait que l’arc soit caché, enfin le prix de revient du mètre de soudure est bas, comparativement à d’autre procédés.

Les inconvénients de ce procédé sont :

 L’importance du bain de fusion

 Risque de fissuration à chaud, exige un respect du rapport largeur/profondeur du bain noté (l/p) est de valeur (l/p < 1.5).

Le procédé ne s’applique pratiquement qu’aux soudures en position horizontale (sauf un dispositif particulier), le procédé s’applique pour les aciers exclusivement.

Le coût de l’équipement est assez élevé, d’où la nécessité de travaux en série pour assurer l’amortissement des matériels [2].

Figure 8 : Procédé de soudage automatique électrique à l’arc d’une bouteille à gaz.

Figure 9 : Procédé de soudage à l’arc électrique sous flux solide [2].

II.1.a. Morphologie de la zone de fusion :

La forme et la constitution du bain de fusion dépendent de multiples facteurs tels que la nature du matériau à souder, les caractéristiques de l’arc ou du plasma permettant la fusion du métal qui sont liées aux paramètres technologiques du procédé, et les mouvements du bain de fusion.

Les bains de fusion créés lors des opérations de soudage sont le siège de processus thermo physiques très complexes mettant en jeux des phénomènes thermiques, convectifs, chimiques et électromagnétiques interdépendants selon la nature du procédé utilisé [2].

Ces mouvements de convection du métal liquide ou gazeux influencent de façon importante la forme du cordon et les transferts de chaleur pouvant induire des hétérogénéités (ségrégations) ou la présence de défauts tels que les inclusions ou porosités. D’une façon globale le bain de fusion est en équilibre sous l’action de forces aux effets variables.

Ces forces d’origine différentes sont: [13]

 Les forces de gravité (ou de flottabilité).

 Les tensions superficielles (les forces de Marangoni).

 La pression du plasma ou de l’arc en surface.

 Les forces électromagnétiques (les forces de Lorentz) pour les procédés de soudage à

l’arc.

20

La Figure 10, présente les forces agissant sur la forme du bain de fusion par procédé de soudage TIG, une partie seulement de l’énergie calorifique produite par l’arc sert au soudage, le reste étant perdu par rayonnement, convection et conduction dans le métal adjacent.

Figure 10 : Forces et courants de convection dans le bain de fusion de soudage [13].

II.2. Processus de solidification des soudures :

Bien que la plupart des théories sur les mécanismes de solidification développées pour les structures de fonderie aient été appliquées avec succès pour les structures de solidification au soudage, la formation des premiers cristaux solides se fait de manière très différente.

Alors qu’en fonderie la solidification s’effectue par un procédé de germination hétérogène et croissante, la solidification des soudures s’effectue par croissance épitaxique à partir des grains non fusionnés de la zone affectée thermiquement adjacente (zone de fusion partielle).

La croissance des grains progresse parallèlement à la direction du gradient maximal de

température produit par le mouvement de la source de chaleur, perpendiculairement au front

de solidification. De plus, la distribution thermique dans le métal fondu dépend de la forme du

bain de fusion [4].

Notons que la croissance des grains se fait de manière compétitive dans des directions cristallographiques privilégiées et les grains favorablement orientés tendent à croître plus vite que leurs voisins qui seraient défavorablement orientés.

Cette croissance épitaxique et compétitive va donc être perturbée par les variations du gradient thermique et donc par la forme du bain de fusion.

La forme du bain de fusion dépend principalement de la vitesse de soudage qui influence la cinétique de solidification par le contrôle de la vitesse de croissance du front de solidification. Cette vitesse est décrite sur la Figure 13 et s’exprime par la relation suivante [3]

et [15] :

R = V _s .cosα ………(II.1)

R : vitesse de croissance linéaire en tout point du front de solidification (cm / min) Vs : vitesse de soudage (cm / min).

α: angle entre la direction de soudage et la direction de croissance des cristaux.

Figure 13 : Représentation schématique de la vitesse de croissance en fonction de la vitesse de soudage dans un bain de fusion elliptique [5].

Pour une vitesse de soudage faible, comme lors du soudage par procédé par exemple

TIG, le bain de fusion présente une forme elliptique. Le gradient maximal de température

varie continuellement en direction et en intensité.

22

Il impose de ce fait une variation de la direction et de la vitesse de croissance des grains.

Les grains vont s’incurver progressivement lors de la solidification avec une croissance compétitive jusqu’à l’axe de la soudure où ils deviennent parallèles à celui-ci. Pour une vitesse de soudage plus importante, comme pour le soudage par faisceau laser, la forme du bain tend à s’étirer vers l’arrière en créant un front de solidification plan.

De ce fait les grains vont se développer perpendiculairement au front de solidification dans la direction du gradient maximal de température. Ils vont se rejoindre au centre de la soudure en formant une ligne centrale de joints de grains successifs.

Les soudures qui se solidifient avec cette forme étirée présentent une faible résistance à la fissuration à chaud à cause des impuretés et des constituants à bas points de fusion qui vont ségréger au centre de la soudure.

La Figure 14, présente ces différences de structure de solidification.

Figure 14 : Comparaison de l’influence du gradient de température sur la croissance des grains en fonction de la forme du bain de fusion [5].

(A) : Bain de fusion elliptique avec variation continuelle de la direction de croissance des grains.

(B) : Bain de fusion étiré avec une direction de croissance des grains constante.

II.3. Calcul de la vitesse de refroidissement en zone de fusion : II.3.a. Modèle de ROSENTHAL :

La structure métallurgique finale en zone de fusion ou en zone affectée thermiquement est déterminée par la vitesse de refroidissement (V R ) à partir de la température maximale atteinte durant le cycle de soudage. Cette vitesse influence la finesse de la structure de solidification et l’homogénéité, à la fois de la distribution et de la forme des phases et des constituants de la microstructure, pour les transformations contrôlées par la diffusion.

La détermination de la vitesse de refroidissement en zone de fusion est importante car elle permet, selon la nature du matériau, d’éviter une transformation martensitique (pour le problème de fissuration à froid), d’identifier les réactions métallurgiques dépendant de la vitesse qui peuvent se produire dans la soudure, et d’empêcher un grossissement excessif des dendrites en zone de fusion. [5]

Les vitesses de refroidissement diminuent généralement avec la température de la soudure et sont donc déterminées pour une température bien définie. Ainsi Yung et coll. [16]

ont calculé les vitesses théoriques de refroidissement lors du soudage TIG de tôles fines en alliage de titane TA6V (selon les paramètres de soudage) à 1595°C, soit en dessous du point de fusion de l’alliage (1650°C). Dans le cas du soudage de tôles fines induisant une pénétration totale, soit un flux de chaleur à deux dimensions, Adams [14] a montré qu’au centre de la soudure la vitesse de refroidissement était de la forme :

V _R = 2 π k ρ C (e / H _n )² ( T _i - T ₀ ) ³ ……….(II.2) Avec: K : conductivité thermique, J ^-1 mm ^-1 s ^-1 °C ^-1

ρ: densité du matériau, g.mm- ³

C : chaleur spécifique du métal solide, J ^-1 g °C ^-1 e: épaisseur de la tôle, mm

H n : énergie réelle déposée, J.mm ^-1 T i : température d’intérêt, °C

T 0 : température initiale de la tôle, °C

24

II.3.b. Effet des paramètres de soudage :

Les paramètres de soudage contrôlent la forme, les dimensions et les structures des régions chauffées du cordon de soudure. L’énergie nécessaire à la fusion du métal, qui dépend des paramètres puissance et vitesse de soudage, contrôle la vitesse de refroidissement.

La vitesse de soudage régit directement la vitesse de croissance du front de solidification et donc également la forme du bain de fusion.

La structure et le mode de croissance des grains dépendent de l’apport calorifique linéaire. La croissance des grains devient plus rapide et donne lieu à une structure grossière avec un apport calorifique croissant alors qu’une structure fine est obtenue avec une énergie linéaire modérée.

Ces paramètres affectent également les contraintes thermiques induites [5] qui

s’appliquent sur la soudure et qui entraînent la formation de contraintes résiduelles et des

distorsions géométriques.

Référence :

[2] : R.VARISELLAZ livre « SOUDAGE éléments de conception et de réalisation» Edition DUNOD, Année 1987.

[3] : W. F. SAVAGE, E. F NIPPES, « A Study of Weld Interface Phenomena in a Low Alloy Steel», Welding Journal Research Supplement (1976), p. 260s - 268s.

[5] : C. FERDINAND « Mise en œuvre et caractérisation d’assemblages soudes par procèdes TIG et laser de tôles d’alliages de titane réfractaires » thèse doctorale de l’institut national polytechnique de Toulouse, novembre 2005.

[10] : R. BLONDEAU, « Procédés et applications industrielles du soudage», Hermès Science publication, Paris (2001).

[11] : R.W. MESSLER Jr, « Principles of Welding», John Willey & Sons Edi., New York (1999), p. 50 - 55.

[12] : C. R. HEIPLE, J. R. ROPER, R. T. STAGNER, R. J. ADEN, « Surface Active Element Effect on the Shape of GTA, Laser, and Electron Beam Welds», Welding Journal Research Supplement, March (1983), p.72s - 77s.

[13] : N. PERRY, S. MARYA, « Evolution du Soudage Multi passes des Aciers Inoxydables, Procédé A-TIG », Compte rendu de conférence : 9ièmes Journées d’Etude sur la Technologie des Appareils à Pression, Association Française des Ingénieurs en Appareils à Pression, Paris, Octobre (1998).

[14] : C. M. ADAMS Jr, « Cooling rates and peak temperatures in fusion welding», Welding journal 37 (1958), p.210 - 215.

[15] : W. F. SAVAGE, A. H. ARONSON, « Preferred Orientation in the Weld Fusion Zone”, Welding Journal Research Supplement, February (1966), pp. 85s-89s.

[16] : K. C. YUNG, B. RALPH, « An investigation into welding parameters affecting the tensile properties of titanium welds”, Journal of Materials Processing technology 63 (1997),

p.759 - 764.

Chapitre III

Soudage des aciers

Chapitre III / Soudage des aciers III. Introduction :

Le fer est un des métaux connus depuis longtemps, on l'extrait et on le travaille depuis des milliers d'années, la production intensive des aciers date du XIXe siècle, à partir des aciers au carbone (qui représentent encore 90 % de la production d'acier), on a développé toute une gamme d'aciers alliés:

 Les aciers faiblement alliés (contenant jusqu'à 5 % de chrome, de nickel etc.),

 Les aciers inoxydables (contenant typiquement 18 % de chrome et 8 % de nickel)

 Les aciers durs pour outillage (fortement chargés en chrome, molybdène, tungstène, vanadium et cobalt).

III.A. Les Aciers au carbone :

Le carbone, étant l'élément le moins cher et le plus efficace pour durcir le fer, il est ajouté au fer dans des proportions variant de 0,04 m% à 4 m% pour faire des aciers à faible, moyenne ou forte teneur en carbone (Fig.15).

Figure 15 : Diagramme Fer – Carbone [17]

27

Les propriétés mécaniques dépendent à la fois de la teneur en carbone et du traitement thermique, les aciers et les fontes ont ainsi un très vaste domaine d'application (voir tableau III.1).

Métal Composition typique (m%) Utilisation

Acier doux à faible teneur en carbone

Fe + 0,04 - 0,3 C (+ - 0,8 Mn) Faibles contraintes (aciers de construction, bonne soudabilité) Acier à moyenne

teneur en carbone Fe + 0,3 - 0,7 C (+ - 0,8 Mn)

Contraintes moyennes (pièces mécaniques, boulons, écrous, arbres, engrenages)

Acier à forte

teneur en carbone Fe + 0,7 - 1,7 C (+ - 0,8 Mn) Fortes contraintes (ressorts, outils de coupe, de filage

Acier faiblement

allié Fe + 0,2 C 0,8 Mn 1 Cr 2 Ni Fortes contraintes: réservoirs de pression, aéronautique…

Acier fortement

allié (inoxydable) Fe + 0,1 C 0,5 Mn 18Cr8Ni Usage à haute température et anticorrosion, usines chimiques.

Tableau III.1 : Tableau des compositions typiques des aciers au carbone [17].

Nous nous limiterons dans notre étude des aciers, aux aciers au carbone, or nous connaissons un peu les transformations qui se produisent dans les aciers et les microstructures qu'elles génèrent.

Donc, nous essaierons de regrouper ces connaissances et les utiliser pour conférer aux aciers des propriétés mécaniques déterminées.

III.A.1. Éléments α-gènes et γ-gènes :

D’après la Figure 16, la mise en solution solide des éléments d'alliage dans le fer modifie la position des points A ₃ et A ₄ , cette modification est importante et on a classe les éléments en considérant leur influence sur la position de ces points [17].

Un élément alphagène est un élément qui stabilise la phase CC. Par conséquent il élève la température du point A 3 et abaisse celle du point A 4

Un élément gammagène est un élément qui stabilise la phase CFC.

Par conséquent il abaisse la température du point A ₃ et élève celle du point A ₄

Figure 16 : Effets des élemlents alphagène et gammagène [17].

III.A.2. Les aciers non alliés :

Cette famille d’aciers non alliés concerne tous les alliages dont la teneur en Carbone est inférieure à 2 %, on constate aussi que les teneurs en éléments normaux d'élaboration Mn, Si, S, P, Cu, Al ainsi que N et O (quelques millièmes %) sont relativement faibles. Ceci explique qu'on puisse utiliser le binaire Fe-C dont les frontières sont peu déplacées par la présence de ces divers éléments.

Ceux-ci sont soit en solution solide (ex. : P, Si, Mn) soit en combinaison dans des inclusions (ex. : MnS, FeS, Si0 ₂ , FeO, Al ₂ 0 ₃ etc.).

Malgré leurs basses teneurs, les éléments « résiduels » affectent considérablement le comportement mécanique.

Le Phosphore (P) : diminue ductilité et ténacité, sa' ségrégation aux joints de grains ainsi que celle de Sn, Sb, As est la cause principale de la fragilité de revenu de certains aciers.

Le Soufre (S): sous forme d'inclusions allongées de MnS diminue les propriétés selon le travers court de certains produits.

L’Azote (N) : diminue ductilité et ténacité, sa migration interstitielle vers le cœur des

dislocations conduit au vieillissement de certains aciers à température ambiante.

29

III.A.3. Constitution à l’état recuit :

Le diagramme binaire Fe-C métastable est utilisé pour décrire la constitution des aciers non alliés à l'état recuit, la question qui se pose est pourquoi le recuit est appliqué sur les aciers ?

Parce que c’est le traitement qui à pour but d'amener le métal dans un état proche de l'équilibre. Donc en première approximation, la constitution des aciers non alliés à la température ambiante est particulièrement simple.

La Figure 17 illustre les conclusions du diagramme de phases résumées ci-dessous et le tableau III.2 expose les différentes phases en fonction du pourcentage de Carbone.

Tableau III.2 : Constituant des aciers en fonction des teneures en carbone [17]

Figure 17 : Constituant du diagramme à l’état recuit [17].

Teneur en carbone Constitution

0 < % C < 0,02 (S 1 ’) Ferrite + Cémentite 0,02 < % C < 0,77(E') hypoeutectoïdes Ferrite proeutectoïde + perlite

% C = 0,77(E') eutectoïde Perlite

0,77 < % C <2,11 (S ₁ ) hypereutectoïdes Cémentite proeutectoïde + perlite

III.A.4. Microstructures des aciers :

Le diagramme de phases permet de déterminer la nature des constituants susceptibles de se former: il ne permet en aucun cas d'en prévoir la morphologie qui définit la microstructure du métal.

Cette microstructure dépend des conditions de germination et de croissance des diverses phases est essentiellement fixée par les conditions de refroidissement [17].

L'augmentation de la vitesse de refroidissement conduit à des structures de plus en plus fines, aussi bien des grains ferritiques (polygonaux équiaxes → polygonaux irréguliers → aciculaires) que perlitiques.

Le contrôle de la vitesse de refroidissement est donc un moyen de contrôler la microstructure de l'acier [17].

La Figure 18 décrit une partie du diagramme fer –carbone plus précisément le cas d'un acier hypoeutectoïde (donc ferrito - perlitique) à 0,4 % C, les considérations suivantes ont été simplifiées.

Figure 18: Diagramme microstructural de l’acier au refroidissement [17].